EP4298325A1 - Verbrennungskraftmaschine mit zündkerze und vorkammerzündkerze - Google Patents

Verbrennungskraftmaschine mit zündkerze und vorkammerzündkerze

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Publication number
EP4298325A1
EP4298325A1 EP22706291.6A EP22706291A EP4298325A1 EP 4298325 A1 EP4298325 A1 EP 4298325A1 EP 22706291 A EP22706291 A EP 22706291A EP 4298325 A1 EP4298325 A1 EP 4298325A1
Authority
EP
European Patent Office
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spark plug
combustion chamber
internal combustion
combustion engine
prechamber
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP22706291.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Alexander Eichhorn
Alexander Hettinger
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
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Pending legal-status Critical Current

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Definitions

  • the present invention relates to an internal combustion engine with a spark plug and prechamber spark plug and a method for operating an internal combustion engine.
  • prechamber spark plugs comprise a center electrode arranged in a housing and a ground electrode which define an ignition gap between them in which an air-fuel mixture is ignited. This ignited air-fuel mixture is then conducted through openings in a spark plug cap located at the combustion-chamber end of the prechamber spark plug into a combustion chamber of the internal combustion engine, in which the actual combustion of an air-fuel mixture for the piston stroke takes place.
  • a spark plug cap located at the combustion-chamber end of the prechamber spark plug into a combustion chamber of the internal combustion engine, in which the actual combustion of an air-fuel mixture for the piston stroke takes place.
  • the internal combustion engine according to the invention with the features of claim 1 is characterized by an improved mode of operation, which allows particularly high efficiency with a low knock tendency and reliable operation in any operating conditions. According to the invention, this is achieved by an internal combustion engine which includes at least one cylinder and which includes one spark plug and one prechamber spark plug per cylinder. Furthermore, the internal combustion engine includes four gas exchange openings per cylinder. A first gas exchange opening and a second gas exchange opening are in each case inlet openings, and a third gas exchange opening and a fourth gas exchange opening are respectively outlet openings.
  • a “spark plug” is considered to be an ordinary spark plug, in particular one with exposed electrodes, which is set up to ignite a fuel-air mixture between at least two electrodes by means of an electrical ignition spark.
  • the spark plug particularly preferably has a straight center electrode and at least one hook-shaped front or top electrode.
  • such a spark plug can alternatively also be referred to as a “spark spark plug”.
  • a laser device that is set up to ignite the fuel-air mixture by means of laser radiation could also be used as the “spark plug”.
  • a “pre-chamber spark plug” is a design with a pre-chamber formed within a spark plug cap, which is in fluid communication with a combustion chamber of the internal combustion engine via through-openings in the spark plug cap. This allows gases to pass from the pre-chamber through the plug cap into the combustion chamber and vice versa.
  • the plug cap is preferably arranged on an end of a housing of the prechamber spark plug that is on the combustion chamber side, viewed in the axial direction of the prechamber spark plug.
  • the plug cap, housing and prechamber form integral parts of the prechamber spark plug. In particular, the prechamber is thus located within the prechamber spark plug.
  • electrodes are used to ignite a fuel-air mixture located therein, with torch jets passing through the openings in the spark plug cap and igniting the fuel-air mixture in the combustion chamber.
  • the prechamber spark plug is preferably to be regarded as an integral component which can be fastened in a cylinder head of the internal combustion engine. The fastening is preferably carried out in such a way that in an end position the through-openings in the candle cap are aligned in a predefined manner in order in particular to generate specifically aligned torch jets during operation.
  • the prechamber spark plug can be designed in such a way that it can be screwed into a standard thread of the cylinder head, which can accommodate a conventional spark plug.
  • the combination of a conventional spark plug and a prechamber spark plug offers the advantage of a particularly flexible, efficient, and reliable mode of operation of the internal combustion engine.
  • optimal and reliable ignition of the fuel-air mixture in the combustion chamber can always take place in any operating state, such as cold start, catalytic converter heating phase, partial load, full load, and the like.
  • Operation of the internal combustion engine can preferably be designed in such a way that the prechamber spark plug is used as the sole ignition option in the largest possible operating range in order to achieve effective knock reduction and low fuel consumption, particularly at high loads.
  • the spark plug can be operated additionally or solely in operating ranges in which operation of the prechamber spark plug is disadvantageous or impossible, for example during a cold start, in order to achieve reliable ignition in these ranges as well.
  • the prechamber spark plug can be optimized specifically for the most efficient operation possible, for example for certain operating points of the internal combustion engine, with falling efficiency at other operating points being negligible or acceptable, since at these operating points, for example, alone or the spark plug can also be used for ignition.
  • damage to the internal combustion engine for example due to knocking, misfiring or poor combustion, can be avoided due to the always optimally adaptable ignition for a wide variety of operating ranges, thus enabling a particularly long service life for the internal combustion engine.
  • the spark plug and/or the prechamber spark plug is/are preferably arranged on a combustion chamber roof of a combustion chamber of the cylinder.
  • the combustion chamber roof forms an upper end of the combustion chamber along a stroke direction of a piston.
  • the combustion chamber roof is preferably part of a cylinder head of the internal combustion engine.
  • the prechamber spark plug and the spark plug preferably protrude into the combustion chamber.
  • a plug cap of the prechamber spark plug and electrodes of the spark plug preferably protrude into the combustion chamber.
  • the ends of the combustion chamber Prechamber spark plug and the spark plug can also be arranged within a respective candle bore, in which the corresponding prechamber spark plug or spark plug is arranged.
  • the prechamber spark plug is arranged closer to a center point of the combustion chamber roof than the spark plug.
  • the spark plug is preferably arranged closer to the center point of the combustion chamber roof than the prechamber spark plug in order to achieve particularly effective and uniform ignition by means of the spark plug.
  • the prechamber spark plug is located closer to a side wall of the cylinder than the spark plug.
  • the prechamber spark plug is preferably designed and arranged in such a way that flare jets generated during ignition by means of the prechamber spark plug are aligned in the direction of a center of the combustion chamber.
  • the spark plug is located closer to the side wall of the cylinder than the prechamber spark plug.
  • a substantially cylindrical lateral surface of the cylinder which can also be referred to as the running surface of the piston, is regarded as the side wall.
  • a reference direction which indicates a relative arrangement of the inlet openings and outlet openings to one another or on the combustion chamber roof, is considered to be on the inlet side or outlet side.
  • an inlet-side arrangement of the spark plug to the prechamber spark plug means that the spark plug is arranged further along an axis that extends from the outlet openings to the inlet openings in the direction pointing to the inlet openings than the prechamber spark plug, i.e. the spark plug is closer to the inlet opening than arranged the prechamber spark plug. It is particularly advantageous if the spark plug is arranged on the outlet side of the prechamber spark plug, ie the spark plug is arranged closer to the outlet opening than the prechamber spark plug.
  • the prechamber spark plug is arranged closer to the inlet openings than the spark plug.
  • the gas exchange openings are arranged in the combustion chamber roof, the combustion chamber roof being divided into four quadrants by two mutually perpendicular sectional planes.
  • the combustion chamber roof is divided by the two sectional planes in such a way that one of the four gas exchange openings is located in each of the four quadrants.
  • the spark plug and/or the prechamber spark plug is/are arranged, in particular essentially, on one of the two sectional planes.
  • the two sectional planes are each located centrally between the gas exchange openings.
  • the two cutting planes preferably intersect in a cutting line which is parallel to a piston direction along which a piston of the internal combustion engine is movable.
  • the spark plug and/or the prechamber spark plug lies essentially symmetrically between two gas exchange openings.
  • the two cutting planes particularly preferably form planes of symmetry of the combustion chamber roof.
  • the spark plug and/or the prechamber spark plug is preferably arranged within a central area of the combustion chamber roof.
  • the central area lies essentially radially inside the gas exchange openings and in particular surrounds an area around a central point or a roof center of the combustion chamber roof.
  • the prechamber spark plug is particularly preferably arranged precisely on a center point of the combustion chamber roof.
  • the midpoint area is particularly preferably defined by a circle of maximum size, which is inscribed in the middle between the gas exchange openings.
  • This means that the spark plug and/or the pre-chamber spark plug is preferably located centrally on the combustion chamber roof, as a result of which particularly symmetrical, uniform penetration and thus simultaneous ignition within the entire combustion chamber is made possible.
  • a particularly uniform penetration of the combustion chamber by the flare jets which achieve the ignition, and thus a uniform and efficient combustion can thereby be made possible.
  • the spark plug and/or the pre-chamber spark plug is particularly preferably arranged between two adjacent gas exchange openings and the side wall of the cylinder.
  • the spark plug and/or the prechamber spark plug lies radially outside of a center circle on which the center points of the four gas exchange openings lie.
  • the spark plug and/or the prechamber spark plug is arranged within a free, radially outer area of the combustion chamber roof.
  • four such radially outer and free areas are distributed around the circumference of the combustion chamber roof.
  • one of the spark plugs and the prechamber spark plug is arranged within the central area and the other is arranged radially on the outside.
  • a distance between the side wall of the cylinder and the spark plug and/or a distance between the side wall of the cylinder and the prechamber spark plug is preferably at most 30%, preferably at most 15%, of a cylinder radius of the cylinder. Due to the lateral arrangement near the side wall is the spark plug and / or The prechamber spark plug is also at a large distance from the center of the combustion chamber, which means that the thermal load is lower than with a central arrangement, for example. This has an advantageous effect on a long service life for the spark plug and/or the prechamber spark plug.
  • the internal combustion engine preferably also includes a combustion chamber fuel injector, which is set up to inject, in particular, liquid or gaseous fuel directly into the combustion chamber of the internal combustion engine.
  • the combustion chamber fuel injector is preferably arranged on the combustion chamber roof.
  • the combustion chamber fuel injector is thus located in the vicinity of the prechamber spark plug and/or the spark plug in order to generate a uniform fuel-air mixture, preferably aligned with the position of the prechamber spark plug and/or spark plug, for homogeneous, uniform ignition.
  • the combustion chamber fuel injector is particularly preferably arranged between two adjacent gas exchange openings and the side wall of the cylinder.
  • the combustion chamber fuel injector lies radially outside of a center circle on which the center points of the four gas exchange openings lie.
  • the combustion chamber fuel injector is arranged within a free, radially outer area of the combustion chamber roof.
  • the combustion chamber fuel injector is set up here to inject the fuel towards a center of the combustion chamber in order to obtain uniform distribution and ignition.
  • An arrangement of the combustion chamber fuel injector between the two inlet openings and the side wall of the cylinder is particularly advantageous in order to promote optimal, uniform mixture formation before combustion.
  • the lateral arrangement results in a greater distance between the combustion chamber fuel injector and the center of the combustion chamber, which can have an advantageous effect on a lower thermal load on the combustion chamber fuel injector in order to enable a long service life.
  • a distance between the combustion chamber fuel injector and the side wall of the cylinder is preferably at most 30%, particularly preferably at most 15%, of the cylinder radius.
  • the combustion chamber Fuel! njector preferably close to the side wall, i.e. it is not arranged centrally but on the side of the combustion chamber roof.
  • the combustion chamber fuel injector is preferably aligned at an angle, so that an injection direction of the fuel to be injected is aligned in the direction of the center of the combustion chamber.
  • the lateral arrangement of the combustion chamber fuel injector enables a particularly space-saving arrangement on the combustion chamber roof, which means that more space is available for arranging the spark plug and/or the prechamber spark plug, particularly in the central area of the combustion chamber roof.
  • the combustion chamber fuel injector and the prechamber spark plug are particularly preferably arranged on opposite sides of the combustion chamber roof.
  • the combustion chamber fuel injector and the spark plug are preferably arranged on opposite sides of the combustion chamber roof.
  • an arrangement that is opposite with respect to a center point of the combustion chamber roof is considered to be opposite. This allows a particularly advantageous utilization of the free space available for arranging the components on the combustion chamber roof.
  • the combustion chamber fuel injector is preferably arranged within a center region of the combustion chamber roof, with the center region lying radially inside the gas exchange openings.
  • the combustion chamber fuel injector is particularly preferably arranged precisely on a center point of the combustion chamber roof.
  • a central arrangement of the combustion chamber fuel injector on the combustion chamber roof allows particularly uniform, preferably symmetrical, injection into the combustion chamber in order to enable particularly uniform fuel distribution in the combustion chamber and efficient combustion.
  • the prechamber spark plug is particularly preferably arranged closer to the combustion chamber fuel injector than the spark plug.
  • Such an arrangement of the combustion chamber fuel injector and the prechamber spark plug close to one another has a particularly advantageous effect on efficient and reliable operation of the prechamber spark plug.
  • the proximity between the combustion chamber fuel injector and the prechamber spark plug results in improved scavenging and mixture supply to the prechamber of the prechamber spark plug.
  • the spark plug is arranged closer to the combustion chamber fuel injector than the pre-chamber spark plug. In this case, a particularly good mixture supply can be provided in the area of the spark plug.
  • Such an arrangement of the combustion chamber fuel injector and the spark plug close to one another allows, for example, a particularly robust operation of the internal combustion engine during catalyst heating.
  • the combustion chamber fuel injector and the prechamber spark plug are preferably arranged at a distance of at most 50%, in particular at most 30%, preferably at most 10%, of a cylinder radius of the cylinder.
  • the combustion chamber fuel injector and the spark plug are preferably arranged at a distance of at most 50%, in particular at most 30%, preferably at most 10%, of the cylinder radius of the cylinder.
  • An injection direction, ie a direction along which the fuel is essentially injected, of the combustion chamber fuel injector is particularly preferably aligned in the direction of the prechamber spark plug, in particular towards a plug cap of the prechamber spark plug.
  • the direction of injection is preferably aligned essentially in the direction of the spark plug.
  • the internal combustion engine also includes an intake manifold fuel injector, which is set up for injecting fuel into an intake manifold of the internal combustion engine.
  • the internal combustion engine comprises two intake manifolds, each with an intake manifold fuel injector, each intake manifold opening into the combustion chamber at one of the two inlet openings.
  • the internal combustion engine can also include exactly one intake manifold fuel injector, which is set up for injecting fuel into both intake manifolds.
  • the internal combustion engine can include exactly one intake manifold fuel injector, which is set up to inject fuel into a common intake manifold section, with the intake manifold section divides into the two intake manifolds in the direction of the combustion chamber.
  • the intake manifold fuel injector is advantageously an alternative to a direct-injecting one arranged on the combustion chamber Combustion chamber fuel injector provided.
  • the intake manifold fuel injector is advantageously an alternative to a direct-injecting one arranged on the combustion chamber Combustion chamber fuel injector provided.
  • the invention relates to a method for operating an internal combustion engine which has at least one cylinder and four gas exchange openings per cylinder, a spark plug and a prechamber spark plug.
  • the spark plug and/or the pre-chamber spark plug is operated in order to ignite a fuel-air mixture within the combustion chamber of the cylinder. This means that during operation of the internal combustion engine, simultaneous operation of both the prechamber spark plug and the spark plug, or alternatively operation of the spark plug or the prechamber spark plug alone, can take place in order to ignite the fuel-air mixture in the combustion chamber of the cylinder. This allows a particularly flexible and efficient operation of the internal combustion engine.
  • the prechamber spark plug is preferably operated alone during operation of the internal combustion engine under high load, in particular while the spark plug is inactive. Operation at a torque of at least 20%, preferably at least 50%, particularly preferably at least 80%, of a nominal torque of the internal combustion engine is preferably regarded as a high load.
  • This torque threshold can preferably be dependent on a speed of the internal combustion engine, or other key figures, such as a lambda number, control times of valves, an engine temperature, or the like.
  • the spark plug is operated alone during low load operation of the internal combustion engine, particularly while the prechamber spark plug is inactive. Operation at a torque of less than 80%, preferably less than 50%, particularly preferably less than 20%, of a nominal torque of the internal combustion engine is preferably regarded as a low load. This can reliable ignition by means of the spark plug can be enabled even at low loads.
  • the spark plug is particularly preferably operated during a catalytic converter heating phase, in particular after a cold start of the internal combustion engine.
  • the spark plug is preferably operated on its own, in particular while the prechamber spark plug is inactive.
  • the spark plug is preferably operated alone at low engine temperatures of the internal combustion engine, preferably at engine temperatures of a maximum of 323 K, in particular a maximum of 303 K, particularly preferably a maximum of 293 K.
  • a temperature of a coolant of the internal combustion engine can be determined as the engine temperature, for example, in order to make a particularly simple determination to obtain.
  • a combined operation of the spark plug and the prechamber spark plug can also take place simultaneously.
  • spark plug is operated while the internal combustion engine is burning up again, in particular after overrun phases, ie after the internal combustion engine is being towed by the vehicle, and preferably at very low loads.
  • a combined operation of the spark plug and the prechamber spark plug can also take place simultaneously during such a reburning of the internal combustion engine.
  • the spark plug can be operated alone within this partial operating range, that is to say while the prechamber spark plug is inactive.
  • the lambda number is particularly preferably at least 1.05 within at least one partial operating range of the internal combustion engine.
  • the internal combustion engine is operated within the partial operating range with a lean fuel/air mixture.
  • the prechamber spark plug and/or spark plug is preferably operated during lean operation.
  • Figure 1 is a sectional view of an internal combustion engine according to a first embodiment of the invention
  • FIG. 2 simplified schematic detailed views of various preferred configurations of the internal combustion engine of FIG.
  • FIG. 3 simplified schematic detailed views of further preferred configurations of the internal combustion engine of FIG.
  • Figure 4 is a sectional view of an internal combustion engine according to a second embodiment of the invention
  • Figure 5 shows simplified schematic detail views of various preferred configurations of the internal combustion engine of Figure 4.
  • FIG. 1 shows a simplified sectional view of an internal combustion engine 1 according to a first exemplary embodiment of the invention.
  • the internal combustion engine 1 comprises a plurality of cylinders 10, only one of the cylinders 10 being shown in FIG.
  • the cylinder 10 has a combustion chamber 5 which is delimited by a combustion chamber roof 50 at its upper end.
  • the combustion chamber roof 50 is formed by a cylinder head 15 of the internal combustion engine 1 .
  • the combustion chamber roof 50 is preferably conical or designed to taper towards the top, with a roof tip forming in particular in the center point 54 (cf. FIG. 2) of the combustion chamber roof 50 .
  • the center point 54 lies in the middle, in particular on a central axis 12, of the preferably circular cylinder 10.
  • the internal combustion engine 1 comprises four gas exchange openings 4 per cylinder 10 (cf. also FIG. 2).
  • a first and a second gas exchange opening 4 each form an inlet opening 41 through which fresh air can flow into the combustion chamber 5 .
  • a third and a fourth gas exchange opening 4 each form an outlet opening 42 through which exhaust gases can flow out of the combustion chamber 5 after combustion.
  • the internal combustion engine 1 includes a combustion chamber fuel injector 6 per cylinder 10 , which is set up to inject liquid or gaseous fuel directly into the combustion chamber 5 .
  • the combustion chamber fuel injector 6 protrudes slightly into the combustion chamber 5 .
  • the combustion chamber fuel injector 6 can also be arranged retracted within an injector bore 60 in which it is arranged.
  • the internal combustion engine 1 includes a spark plug 2 and a prechamber spark plug 3 per cylinder 10.
  • the spark plug 2 is a conventional spark plug that is set up to ignite a fuel/air mixture in the combustion chamber 5 by means of an electric spark.
  • the spark plug 2 can have a center electrode 21 and a lateral, hook-shaped front electrode 22, which in particular forms the ground electrode.
  • the ignition spark can be generated between the two electrodes 21 , 22 .
  • the spark plug 2 can be arranged in a bore 20 inside the cylinder head 15, with the bore 20 opening into the combustion chamber 5.
  • the spark plug 2 can also protrude into the combustion chamber 5 .
  • the prechamber spark plug 3 has a plug cap 32 which is arranged on an axial end of a housing 34 of the prechamber spark plug 3 .
  • the plug cap 32 forms a prechamber 35 within the prechamber spark plug 3, the prechamber 35 being connected to the combustion chamber 5 via through-openings (not shown) which penetrate the plug cap 32.
  • a fuel-air mixture within the prechamber 35 can be ignited by means of electrodes 31, so that several, preferably four, torch jets 30 (cf. Figure 2, Figure 3 or Figure 5; shown schematically as club-shaped jets emanating from the prechamber spark plug 3) pass through the passage openings ), in particular in the form of flames, spread into the combustion chamber 5 in order to ignite the fuel-air mixture there.
  • the prechamber spark plug 3 is screwed into a bore 33 in the cylinder head 15 .
  • the prechamber spark plug 3 is screwed in in such a way that the plug cap 32 protrudes into the combustion chamber 5 .
  • the prechamber spark plug 3 is optimized for operating the internal combustion engine 1 under high load and while the internal combustion engine 1 is being operated with a stoichiometric or lean fuel/air mixture. Due to the special ignition method of the prechamber spark plug 3, the fuel-air mixture can be ignited reliably and with a low knocking tendency of the internal combustion engine 1. As a result, a particularly fuel-efficient operation of the internal combustion engine 1 can be made possible without the risk of damage from knocking.
  • the spark plug 2 is operated in particular after a cold start, during a catalytic converter heating operation and at low loads in order to also in these Operating areas to allow reliable ignition of the fuel-air mixture in the combustion chamber 5.
  • FIGS. 2 and 3 several preferred variants for arrangements of combustion chamber fuel injector 6, spark plug 2 and prechamber spark plug 3 on combustion chamber roof 50 are shown in a simplified, schematic manner, which are described below.
  • the piston direction is parallel to the central axis 12 of the cylinder 10.
  • all four gas exchange openings 4 have an identical cross section.
  • the inlet openings 41 and the outlet openings 42 could also have different cross sections.
  • the inlet openings 41 could each have larger cross sections than the outlet openings 42 .
  • the outlet openings 42 could each have larger cross sections than the inlet openings 41 .
  • the gas exchange openings 4 are each circular and inscribed in the combustion chamber roof 50 in such a way that a maximum overall cross section is available for the gas exchange. Alternatively, the gas exchange openings 4 could also be smaller.
  • the components arranged on the combustion chamber roof 50 - spark plug 2, prechamber spark plug 3 and combustion chamber fuel injector 6 - are each essentially on one of the two sectional planes 51, 52, since this is where the greatest space is available for these components .
  • FIG. 2 shows variants of arrangements of the components in the combustion chamber roof 50 with a central position of the combustion chamber fuel injector 6.
  • the central position is an arrangement within a central region 53, which surrounds a central point 54 of the combustion chamber roof 50 and lies essentially radially inside the gas exchange openings 4, is considered. Due to the central location of the combustion chamber fuel injector 6, a particularly uniform distribution of the injected fuel spray in the combustion chamber 5 can be achieved.
  • the combustion chamber fuel injector 6 is on the inlet side of the center 54, that is, closer to the two inlet openings 41 than to the outlet openings 42.
  • the combustion chamber fuel injector 6 is located completely within the two inlet-side quadrants 55 , 58.
  • there is space for another component within the central area 53 namely the spark plug 2 or the prechamber spark plug 3.
  • combustion chamber roof 50 has four side areas 59, which are each arranged between two adjacent gas exchange openings 4 and a side wall 11 of the cylinder 10, and within which components can be arranged.
  • Figure 2(a) shows an arrangement with the pre-chamber spark plug 3 within the central area 53.
  • the fuel-air mixture can be ignited as centrally as possible by means of the pre-chamber spark plug 3, which means that the torch jets 30 and thus particularly evenly penetrate the combustion chamber 5 a particularly uniform ignition in the combustion chamber 5 can be achieved.
  • a distance 36 between the prechamber spark plug 3 and the combustion chamber fuel injector 6 can be kept to a minimum, which has an advantageous effect on flushing and supplying the mixture to the prechamber 35 .
  • FIG. 2(a) Due to the proximity of the combustion chamber fuel injector 6 and the prechamber spark plug 3, the arrangement of FIG. 2(a) also offers a particularly efficient mode of operation of the internal combustion engine 1 when operating the prechamber spark plug 3, since the spray generated can be ignited in a particularly targeted and reliable manner by the flare jets 30.
  • effective scavenging of prechamber 35 of prechamber spark plug 3 and optimum mixture supply can be achieved, which has a particularly advantageous effect on robust and effective operation of prechamber spark plug 3.
  • the spark plug 2 is arranged laterally, close to the side wall 11 of the cylinder 10.
  • the spark plug 2 is arranged in the side area 59 on the inlet side, which lies in the two quadrants 55, 58 on the inlet side, i.e. close to the two inlet openings 41.
  • FIG. 2(b) shows an arrangement which essentially corresponds to the arrangement in FIG. This allows, for example, the combustion chamber fuel injector 6 to be aligned more towards the outlet openings 42 in order to bring the fuel spray close to the candle 3 and the spark plug 2.
  • FIG. 2(c) shows an arrangement similar to FIG. 2(a), with the positions of spark plug 2 and prechamber spark plug 3 being reversed. That is, the spark plug 2 is arranged in the center area 53 close to the combustion chamber fuel injector 6 and the pre-chamber spark plug 3 is arranged close to the side wall 11 on the inlet side. Due to the central arrangement of the spark plug 2 close to the center point 54 and close to the combustion chamber fuel injector 6, a particularly robust and efficient operation of the internal combustion engine can be achieved during ignition by means of the spark plug 2, preferably at low loads and/or during a catalyst heating phase.
  • the prechamber spark plug 3 is designed and arranged in such a way that the torch jets 30 are aligned in the direction of the center of the combustion chamber roof. As a result, particularly fuel-efficient operation can be made possible even when the prechamber spark plug 3 is operated alone, for example in medium or high load ranges of the internal combustion engine 1 .
  • the lateral arrangement of the prechamber spark plug 3 offers the advantage due to the distance to the center of the combustion chamber 5 that lower temperatures act on the plug cap 32 and thus a lower load and a longer service life of the prechamber spark plug 3 can be made possible.
  • Figure 2(d) shows an arrangement which essentially corresponds to the arrangement of Figure 2(c), with the difference that the prechamber spark plug 3 is arranged in the outlet-side side area 59, i.e. on the outlet side of the spark plug 2 and combustion chamber fuel injector 6 .
  • the flare jets 30 that the prechamber spark plug 3 generates are aligned in the direction of the inlet openings 41 .
  • FIG. 2(e) shows an arrangement similar to FIGS. 2(a) and (b) with a central prechamber spark plug 3, the spark plug 2 being arranged in a side region 59 lying on the second sectional plane 52.
  • the side area 59 is in one of the two intake-side quadrants 55, 58 and one of the two exhaust-side quadrants 56, 57.
  • This makes it possible to provide a particularly advantageous installation position for the spark plug 2 in the cylinder head 15, since the one with the intake openings 41 and exhaust openings 42 Connected intake manifolds and exhaust manifolds often point away from each other within the cylinder head 15.
  • the spark plug 2 can also be arranged in the left-hand side area 59 of the quadrants 57 and 58.
  • FIG. 3 shows variants in which the combustion chamber fuel injector 6 is arranged laterally on the combustion chamber roof 50, namely in the side region 59 on the inlet side.
  • the combustion chamber fuel injector 6 is arranged at a small distance 61 from the side wall 11 . Due to the lateral arrangement of the combustion chamber fuel injector 6, the center area 53 of the Combustion chamber roof 50 around the center point 54 has plenty of space for the spark plug 2 and the prechamber spark plug 3, so that both of these can be arranged as centrally as possible for improved, uniform ignition.
  • An injection direction of the combustion chamber fuel injector 6 is aligned in the direction of the center of the combustion chamber in order to achieve the most uniform possible distribution of the fuel spray in the combustion chamber 5 .
  • FIG. 3(a) shows a variant in which spark plug 2 is arranged on the inlet side of prechamber spark plug 3
  • FIG. 3(b) shows a variant in which spark plug 2 is arranged on the outlet side of prechamber spark plug 3.
  • FIG. 3(c) and FIG. 3(d) also show variants in which the spark plug 2 is arranged centrally and the prechamber spark plug 3 is arranged laterally on the combustion chamber roof 50. This is particularly advantageous when there is not enough space for both the spark plug 2 and the pre-chamber spark plug 3 in the center region 53 .
  • the spark plug 2 is arranged exactly in the center 54 of the combustion chamber roof 50, which enables a particularly robust operation of the internal combustion engine 1 when the spark plug 2 is in operation, for example during a catalytic converter heating phase.
  • the prechamber spark plug 3 is arranged in the left-hand side area 59, which lies between the side wall 11 and one of the inlet openings 41 and one of the outlet openings 42, respectively.
  • Figure 3(d) also shows a variant in which the prechamber spark plug 3 is arranged in the side area 59 on the outlet side, i.e. close to the two outlet openings 42. It should be noted that, as an alternative to the variants shown in FIG. 3(c) and in FIG. 3(d), an arrangement of the prechamber spark plug 3 in each of the other side regions 59 is also possible.
  • FIG. 1 a variant is shown in FIG.
  • the spark plug 2 is arranged in the right-hand side area 59 , ie between the side wall 11 , one of the two inlet openings 41 and one of the two outlet openings 42 .
  • an arrangement of the spark plug in any other of the side areas 59 is also possible.
  • FIG. 4 shows a sectional view of an internal combustion engine 1 according to a second exemplary embodiment of the invention.
  • the second exemplary embodiment essentially corresponds to the first exemplary embodiment in FIGS. 1 to 3, with the difference that instead of a combustion chamber fuel injector 6 which is arranged in the combustion chamber roof 50 and injects directly, an intake manifold fuel injector 7 is provided.
  • the intake manifold fuel injector 7 is arranged in the cylinder head 15 and on an intake manifold 70 and set up to inject liquid or gaseous fuel into the intake manifold 70 .
  • the intake manifold 7 opens into the combustion chamber 5 at the intake opening 41 and thus conducts the fuel-air mixture into the combustion chamber 5.
  • one intake manifold 70 is provided for each intake opening 41, with one intake manifold fuel injector 7 is provided (not shown).
  • Figure 5 shows variants of the arrangements of spark plug 2 and prechamber spark plug 3 on combustion chamber roof 50 of internal combustion engine 1 of the second exemplary embodiment of Figure 4. Since no fuel injector is arranged on combustion chamber roof 50 in the second exemplary embodiment, there is advantageously more space for spark plug 2 and the prechamber spark plug 3 available.
  • the arrangements in FIG. 5 are similar to FIG. 3, resulting in essentially the same advantages.
  • the spark plug 2 and the prechamber spark plug 3 can both be arranged in the central area 53 .
  • FIG. 5(c) and FIG. 5(d) also show variants with a central spark plug 2, which is arranged exactly in the center 54 of the combustion chamber roof 50.
  • the prechamber spark plug 3 is arranged in the left side area 59, and in Figure 5(d) in the side area 59 on the exhaust side.
  • FIG. 5(e) also shows a variant with a central prechamber spark plug 3 arranged precisely in the center 54.
  • the spark plug 2 is arranged in the right-hand side area 59 .
  • spark plug 2 or prechamber spark plug 3 can also be arranged in any of the four side areas 59 as an alternative to the positions shown in FIG. 5(c) to FIG. 5(e).
  • distances to which reference is made are to be regarded as minimum distances. That means, for example, a “distance between prechamber spark plug and combustion chamber fuel injector” is regarded as the minimum distance of an outer circumference of the spark plug, in particular essentially in a plane of the combustion chamber roof, to the outer circumference of the combustion chamber fuel injector.

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine (1), umfassend zumindest einen Zylinder (10), vier Ladungswechselöffnungen (4) pro Zylinder (10), wobei eine erste und eine zweite Ladungswechselöffnung (4) jeweils eine Einlassöffnung (41) ist, und wobei eine dritte und eine vierte Ladungswechselöffnung (4) jeweils eine Auslassöffnung (42) ist, und jeweils eine Zündkerze (2) und eine Vorkammerzündkerze (3) pro Zylinder (10).

Description

Beschreibung
Titel
Verbrennungskraftmaschine mit Zündkerze und Vorkammerzündkerze
Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine mit Zündkerze und Vorkammerzündkerze und ein Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine.
Verbrennungskraftmaschinen mit Vorkammerzündkerzen sind aus dem Stand der Technik bekannt. Vorkammerzündkerzen umfassen, wie für herkömmliche Zündkerzen bekannt, eine in einem Gehäuse angeordnete Mittelelektrode und eine Masseelektrode, die zwischen sich einen Zündspalt definieren, in dem ein Luft-Brennstoffgemisch entzündet wird. Dieses entzündete Luft- Brennstoffgemisch wird nachfolgend durch Öffnungen in einer am brennraumseitigen Ende der Vorkammer-Zündkerze befindlichen Kerzenkappe in einen Brennraum der Verbrennungskraftmaschine geleitet, in der die eigentliche Verbrennung eines Luft-Brennstoffgemischs für den Kolbenhub erfolgt. Beispielsweise zeigt DE 102019205478 A1 eine solche Vorkammerzündkerze.
Offenbarung der Erfindung
Die erfindungsgemäße Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 zeichnet sich demgegenüber durch eine verbesserte Betriebsweise aus, welche eine besonders hohe Effizienz bei niedriger Klopfneigung und einen zuverlässigen Betrieb in beliebigen Betriebszuständen erlaubt. Dies wird erfindungsgemäß erreicht durch eine Verbrennungskraftmaschine, welche zumindest einen Zylinder umfasst und welche pro Zylinder eine Zündkerze und eine Vorkammerzündkerze umfasst. Ferner umfasst die Verbrennungskraftmaschine vier Ladungswechselöffnungen pro Zylinder. Eine erste Ladungswechselöffnung und eine zweite Ladungswechselöffnung sind dabei jeweils Einlassöffnungen, und eine dritte Ladungswechselöffnung und eine vierte Ladungswechselöffnung sind jeweils Auslassöffnungen.
Als „Zündkerze“ wird dabei eine gewöhnliche Zündkerze, insbesondere mit freiliegenden Elektroden angesehen, welche eingerichtet ist, ein Kraftstoff-Luft- Gemisch mittels eines elektrischen Zündfunkens zwischen zumindest zwei Elektroden zu entzünden. Besonders bevorzugt weist die Zündkerze eine gerade Mittelelektrode und zumindest eine hakenförmige Stirn- oder Dachelektrode auf. Insbesondere kann eine solche Zündkerze alternativ auch als „Funkenzündkerze“ bezeichnet werden. Alternativ könnte als „Zündkerze“ auch eine Laservorrichtung verwendet werden, welche eingerichtet ist, das Kraftstoff- Luft-Gemisch mittels Laserstrahlung zu entzünden.
Als „Vorkammerzündkerze“ wird eine Konstruktion angesehen mit einer innerhalb einer Kerzenkappe ausgebildeten Vorkammer, welche über Durchgangsöffnungen in der Kerzenkappe mit einem Brennraum der Verbrennungskraftmaschine in Fluidverbindung steht. Dadurch wird ein Durchtritt von Gasen aus der Vorkammer durch die Kerzenkappe in den Brennraum und umgekehrt ermöglicht. Vorzugsweise ist die Kerzenkappe an einem, in axialer Richtung der Vorkammerzündkerze betrachteten, brennraumseitigen Ende eines Gehäuses der Vorkammerzündkerze angeordnet. Kerzenkappe, Gehäuse und Vorkammer bilden dabei integrale Bestandteile der Vorkammerzündkerze. Insbesondere befindet sich die Vorkammer somit innerhalb der Vorkammerzündkerze. Innerhalb der Vorkammer erfolgt dabei mittels Elektroden eine Entzündung eines darin befindlichen Kraftstoff-Luft-Gemischs, wobei hierdurch Fackelstrahlen durch die Durchtrittsöffnungen der Kerzenkappe hindurchgehen und das Kraftstoff-Luft-Gemisch im Brennraum zünden. Das heißt, die eigentliche Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemischs im Brennraum erfolgt mittels der Fackelstrahlen, welche von der Vorkammerzündkerze erzeugt werden. Vorzugsweise ist dabei die Vorkammerzündkerze als integrales Bauteil anzusehen, welches in einem Zylinderkopf der Verbrennungskraftmaschine befestigbar ist. Bevorzugt erfolgt die Befestigung dabei derart, dass in einer Endposition die Durchgangsöffnungen in der Kerzenkappe vordefiniert ausgerichtet sind, um insbesondere gezielt ausgerichtete Fackelstrahlen beim Betrieb zu erzeugen. Beispielsweise kann die Vorkammerzündkerze so ausgebildet sein, dass diese in ein Standard-Gewinde des Zylinderkopfes, welches eine gewöhnliche Zündkerze aufnehmen kann, einschraubbar ist. Die Kombination aus gewöhnlicher Zündkerze und Vorkammerzündkerze bietet dabei den Vorteil einer besonders flexiblen, effizienten und zuverlässigen Betriebsweise der Verbrennungskraftmaschine. Dadurch kann in jedem Betriebszustand, wie beispielsweise Kaltstart, Katalysator-Heizphase, Teillast, Volllast, und dergleichen, stets eine optimale und zuverlässige Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemischs im Brennraum erfolgen. Vorzugsweise kann ein Betrieb der Verbrennungskraftmaschine so ausgelegt sein, dass die Vorkammerzündkerze im größtmöglichen Betriebsbereich als alleinige Zündmöglichkeit verwendet wird, um insbesondere bei hoher Last eine effektive Klopfreduktion und einen niedrigen Kraftstoffverbrauch zu erzielen. Die Zündkerze kann dabei in Betriebsbereichen, in welchen ein Betrieb der Vorkammerzündkerze nachteilig oder unmöglich ist, beispielsweise bei einem Kaltstart, zusätzlich oder alleinig betrieben werden, um auch in diesen Bereichen eine zuverlässige Zündung zu erzielen. Dadurch ergibt sich der weitere Vorteil, dass die Vorkammerzündkerze speziell auf einen möglichst effizienten Betrieb, beispielsweise für bestimmte Betriebspunkte der Verbrennungskraftmaschine hin optimiert werden kann, wobei eine sinkende Effizienz in anderen Betriebspunkten vernachlässigt bzw. in Kauf genommen werden kann, da in diesen Betriebspunkten beispielsweise alleine oder zusätzlich die Zündkerze zur Zündung verwendet werden kann. Zudem können durch die stets optimal anpassbare Zündung für verschiedenste Betriebsbereiche Beschädigungen, beispielsweise aufgrund von Klopfen, Fehlzündungen oder schlechter Verbrennung, an der Verbrennungskraftmaschine vermieden werden und somit eine besonders hohe Lebensdauer der Verbrennungskraftmaschine ermöglicht werden.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Bevorzugt ist die Zündkerze und/oder die Vorkammerzündkerze an einem Brennraumdach eines Brennraums des Zylinders angeordnet. Insbesondere bildet das Brennraumdach ein, entlang einer Hubrichtung eines Kolbens, oberes Ende des Brennraums. Vorzugsweise ist das Brennraumdach Teil eines Zylinderkopfes der Verbrennungskraftmaschine. Bevorzugt ragen die Vorkammerzündkerze und die Zündkerze in den Brennraum. Vorzugsweise ragen hierbei eine Kerzenkappe der Vorkammerzündkerze und Elektroden der Zündkerze in den Brennraum. Alternativ können brennraumseitige Enden der Vorkammerzündkerze und der Zündkerze auch innerhalb einer jeweiligen Kerzenbohrung, in welcher die entsprechende Vorkammerzündkerze bzw. Zündkerze angeordnet ist, angeordnet sein.
Weiter bevorzugt ist die Vorkammerzündkerze näher an einem Mittelpunkt des Brennraumdachs angeordnet als die Zündkerze. Dadurch kann auf einfache Weise eine besonders gleichmäßige Durchdringung des Brennraums mittels der erzeugten Fackelstrahlen zur gleichmäßigen Zündung des Kraftstoff-Luft- Gemischs erreicht werden. Alternativ bevorzugt ist die Zündkerze näher am Mittelpunkt des Brennraumdachs angeordnet als die Vorkammerzündkerze, um eine besonders effektive und gleichmäßige Zündung mittels der Zündkerze zu erzielen.
Bevorzugt ist die Vorkammerzündkerze näher an einer Seitenwand des Zylinders als die Zündkerze angeordnet. Vorzugsweise ist die Vorkammerzündkerze in diesem Fall so ausgebildet und angeordnet, dass mittels der Vorkammerzündkerze bei der Zündung erzeugte Fackelstrahlen in Richtung einer Brennraummitte ausgerichtet sind. Alternativ ist die Zündkerze näher an der Seitenwand des Zylinders als die Vorkammerzündkerze angeordnet. Dadurch steht im Bereich der Brennraumdachmitte mehr Platz für die Vorkammerzündkerze zur Verfügung, um eine hohe Effizienz des Betriebs der Vorkammerzündkerze zu ermöglichen. Als Seitenwand wird dabei eine im Wesentlichen zylindrische Mantelfläche des Zylinders angesehen, welche auch als Lauffläche des Kolbens bezeichnet werden kann.
Besonders bevorzugt ist die Vorkammerzündkerze näher an zumindest einer der beiden Einlassöffnungen, insbesondere näher an beiden Einlassöffnungen, als die Zündkerze angeordnet. Dadurch kann eine besonders gute Zufuhr von frischer Verbrennungsluft zur Vorkammerzündkerze ermöglicht werden um in dessen Betrieb eine optimale Zündung zu ermöglichen. Alternativ bevorzugt ist die Vorkammerzündkerze näher an zumindest einer der beiden Auslassöffnungen, insbesondere näher an beiden Auslassöffnungen, als die Zündkerze angeordnet. In diesem Fall kann die Zündkerze besonders nahe an zumindest einer der Einlassöffnungen angeordnet werden, um eine optimale Frischluftversorgung der Zündkerze zu ermöglichen. Vorzugsweise ist die Zündkerze einlassseitig oder auslassseitig zu der Vorkammerzündkerze angeordnet. Mit einlassseitig oder auslassseitig wird eine Referenzrichtung, welche eine relative Anordnung der Einlassöffnungen und Auslassöffnungen zueinander bzw. am Brennraumdach angibt, angesehen. Insbesondere bedeutet eine einlassseitige Anordnung der Zündkerze zur Vorkammerzündkerze, dass die Zündkerze entlang einer Achse, die sich von den Auslassöffnungen zu den Einlassöffnungen erstreckt, weiter in der zu den Einlassöffnungen zeigenden Richtung angeordnet ist als die Vorkammerzündkerze, d.h. die Zündkerze ist näher an der Einlassöffnung als die Vorkammerzündkerze angeordnet. Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn die Zündkerze auslassseitig der Vorkammerzündkerze angeordnet ist, d.h. die Zündkerze ist näher an der Auslassöffnung als die Vorkammerzündkerze angeordnet. Insbesondere ist in diesem Fall die Vorkammerzündkerze näher an den Einlassöffnungen angeordnet als die Zündkerze. Dadurch kann insbesondere beim Betrieb der Vorkammerzündkerze die durch die Einlassöffnung eintretende Frischluft oder das eintretende Kraftstoff-Luft- Gemisch durch die Nähe der Vorkammerzündkerze besonders gezielt gezündet werden.
Weiter bevorzugt sind die Ladungswechselöffnungen im Brennraumdach angeordnet, wobei das Brennraumdachs durch zwei zueinander senkrechte Schnittebenen in vier Quadranten unterteilt ist. Das Brennraumdach ist durch die beiden Schnittebenen derart unterteilt, dass in jedem der vier Quadranten jeweils eine der vier Ladungswechselöffnungen angeordnet ist. Dabei ist die Zündkerze und/oder die Vorkammerzündkerze, insbesondere im Wesentlichen, auf einer der beiden Schnittebenen angeordnet. Mit anderen Worten liegen die beiden Schnittebenen jeweils mittig zwischen den Ladungswechselöffnungen. Bevorzugt schneiden sich die beiden Schnittebenen in einer Schnittlinie, welche parallel zu einer Kolbenrichtung ist, entlang welcher ein Kolben der Verbrennungskraftmaschine beweglich ist. Mit anderen Worten liegt die Zündkerze und/oder die Vorkammerzündkerze im Wesentlichen symmetrisch zwischen zwei Ladungswechselöffnungen. Besonders bevorzugt bilden die beiden Schnittebenen Symmetrieebenen des Brennraumdachs. Durch die Anordnung der Zündkerze und/oder der Vorkammerzündkerze auf einer der beiden Schnittebenen kann eine besonders vorteilhafte Anordnung erreicht werden, da hierbei diejenigen Bereiche mit dem größten freien Platzbedarf am Brennraumdach zur Verfügung stehen und zudem eine im Wesentlichen mittige Zündung für eine gleichmäßige Entzündung des Kraftstoff-Luft-Gemischs ermöglichen.
Vorzugsweise ist die Zündkerze und/oder die Vorkammerzündkerze innerhalb eines Mittelpunktbereichs des Brennraumdachs angeordnet. Der Mittelpunktbereich liegt im Wesentlichen radial innerhalb der Ladungswechselöffnungen, und umgibt insbesondere einen Bereich um einen Mittelpunkt bzw. eine Dachmitte des Brennraumdachs. Besonders bevorzugt ist dabei die Vorkammerzündkerze genau auf einem Mittelpunkt des Brennraumdachs angeordnet. Besonders bevorzugt ist der Mittelpunktbereich durch einen maximal großen Kreis definiert, welcher mittig zwischen die Ladungswechselöffnungen einbeschrieben ist. Das heißt, die Zündkerze und/oder die Vorkammerzündkerze liegt bevorzugt zentral am Brennraumdach, wodurch eine besonders symmetrische, gleichmäßige Durchdringung und damit gleichzeitige Entflammung innerhalb des gesamten Brennraums ermöglicht wird. Insbesondere bei einer zentralen Vorkammerzündkerze kann dadurch eine besonders gleichmäßige Durchdringung des Brennraums mit den Fackelstrahlen, welche die Zündung erzielen, und damit eine gleichmäßige und effiziente Verbrennung ermöglicht werden.
Besonders bevorzugt ist die Zündkerze und/oder die Vorkammerzündkerze zwischen zwei benachbarten Ladungswechselöffnungen und der Seitenwand des Zylinders angeordnet. Insbesondere liegt die Zündkerze und/oder die Vorkammerzündkerze dabei radial außerhalb eines Mittelpunktkreises, auf welchem Mittelpunkte der vier Ladungswechselöffnungen liegen. Mit anderen Worten ist die Zündkerze und/oder die Vorkammerzündkerze innerhalb einem freien radial äußeren Bereich des Brennraumdachs angeordnet. Insbesondere sind vier derartige radial äußere und freie Bereiche um den Umfang des Brennraumdachs verteilt. Dadurch kann der verfügbare Platz am Brennraumdach besonders vorteilhaft ausgenutzt werden zur Anordnung aller Komponenten. Beispielsweise ist dabei besonders günstig, wenn eine der Zündkerze und Vorkammerzündkerze innerhalb des Mittelpunktbereichs angeordnet ist, und die andere radial außen. Vorzugsweise beträgt hierbei ein Abstand zwischen der Seitenwand des Zylinders und der Zündkerze und/oder ein Abstand zwischen der Seitenwand des Zylinders und der Vorkammerzündkerze maximal 30 %, vorzugsweise maximal 15 %, eines Zylinderradius des Zylinders. Durch die seitliche Anordnung nahe der Seitenwand liegt die Zündkerze und/oder die Vorkammerzündkerze zudem in einem großen Abstand der Brennraummitte, wodurch beispielsweise eine thermische Belastung niedriger als bei einer mittigen Anordnung ist. Dies wirkt sich vorteilhaft auf eine hohe Lebensdauer der Zündkerze und/oder der Vorkammerzündkerze aus.
Bevorzugt umfasst die Verbrennungskraftmaschine ferner einen Brennraum- Kraftstoffinjektor, welcher eingerichtet ist, insbesondere flüssigen oder gasförmigen, Kraftstoff direkt in den Brennraum der Verbrennungskraftmaschine einzuspritzen.
Vorzugsweise ist der Brennraum-Kraftstoffinjektor am Brennraumdach angeordnet. Insbesondere befindet sich der Brennraum-Kraftstoffinjektor damit in der Nähe der Vorkammerzündkerze und/oder der Zündkerze, um ein gleichmäßiges, vorzugsweise an der Lage der Vorkammerzündkerze und/oder Zündkerze ausgerichtetes, Kraftstoff-Luft-Gemisch zu erzeugen für eine homogene gleichmäßige Entflammung.
Besonders bevorzugt ist der Brennraum-Kraftstoffinjektor zwischen zwei benachbarten Ladungswechselöffnungen und der Seitenwand des Zylinders angeordnet. Insbesondere liegt der Brennraum-Kraftstoffinjektor radial außerhalb eines Mittelpunktkreises, auf welchem Mittelpunkte der vier Ladungswechselöffnungen liegen. Mit anderen Worten ist der Brennraum- Kraftstoffinjektor innerhalb einem freien radial äußeren Bereich des Brennraumdachs angeordnet. Insbesondere ist der Brennraum-Kraftstoffinjektor hierbei eingerichtet, den Kraftstoff in Richtung einer Mitte des Brennraums einzuspritzen, um eine gleichmäßige Verteilung und Entflammung zu erhalten. Besonders vorteilhaft ist dabei eine Anordnung des Brennraum-Kraftstoffinjektors zwischen den beiden Einlassöffnungen und der Seitenwand des Zylinders, um eine optimale gleichmäßige Gemischbildung vor der Verbrennung zu begünstigen. Zudem bewirkt die seitliche Anordnung eine größere Distanz des Brennraum-Kraftstoffinjektors zur Brennraummitte, was sich vorteilhaft auf eine niedrigere thermische Belastung des Brennraum-Kraftstoffinjektors auswirken kann, um eine hohe Lebensdauer zu ermöglichen.
Bevorzugt beträgt ein Abstand zwischen den Brennraum-Kraftstoffinjektor und der Seitenwand des Zylinders maximal 30 %, besonders bevorzugt maximal 15 %, des Zylinderradius. Mit anderen Worten befindet sich der Brennraum- Kraftstoff! njektor vorzugsweise nahe an der Seitenwand, ist also nicht zentral, sondern seitlich am Brennraumdach angeordnet. Vorzugsweise ist der Brenn raum- Kraftstoffinjektor in diesem Fall schräg ausgerichtet, sodass eine Einspritzrichtung des einzuspritzenden Kraftstoffs in Richtung der Brennraummitte ausgerichtet ist. Durch die seitliche Anordnung des Brennraum- Kraftstoff injektors kann eine besonders platzsparende Anordnung am Brennraumdach ermöglicht werden, wodurch insbesondere im zentralen Bereich des Brennraumdaches mehr Platz für die Anordnung der Zündkerze und/oder der Vorkammerzündkerze zur Verfügung steht.
Besonders bevorzugt sind der Brennraum-Kraftstoffinjektor und die Vorkammerzündkerze auf gegenüberliegenden Seiten des Brennraumdachs angeordnet. Alternativ oder zusätzlich sind vorzugsweise der Brennraum- Kraftstoff injektor und die Zündkerze auf gegenüberliegenden Seiten des Brennraumdaches angeordnet. Insbesondere wird als gegenüberliegend dabei eine bezüglich eines Mittelpunkts des Brennraumdaches gegenüberliegende Anordnung angesehen. Dadurch kann eine besonders vorteilhafte Ausnutzung des für die Anordnung der Komponenten am Brennraumdach zur Verfügung stehenden freien Platzes ermöglicht werden.
Bevorzugt ist der Brennraum-Kraftstoffinjektor innerhalb eines Mittelpunktbereichs des Brennraumdaches angeordnet, wobei der Mittelpunktbereich radial innerhalb der Ladungswechselöffnungen liegt. Besonders bevorzugt ist der Brennraum-Kraftstoffinjektor genau auf einem Mittelpunkt des Brennraumdachs angeordnet. Durch eine zentrale Anordnung des Brennraum-Kraftstoffinjektors am Brennraumdachs kann eine besonders gleichmäßige, vorzugsweise symmetrische, Einspritzung in den Brennraum erfolgen, um eine besonders gleichmäßige Kraftstoff-Verteilung im Brennraum und eine effiziente Verbrennung zu ermöglichen.
Besonders bevorzugt ist die Vorkammerzündkerze näher am Brennraum- Kraftstoff injektor als die Zündkerze angeordnet. Eine derartige Anordnung von Brennraum-Kraftstoffinjektor und Vorkammerzündkerze nahe beieinander wirkt sich besonders vorteilhaft auf einen effizienten und zuverlässigen Betrieb der Vorkammerzündkerze aus. Die Nähe zwischen Brennraum-Kraftstoffinjektor und Vorkammerzündkerze bewirken eine verbesserte Spülung und Gemischversorgung der Vorkammer der Vorkammerzündkerze. Alternativ bevorzugt ist die Zündkerze näher am Brennraum-Kraftstoffinjektor als die Vorkammerzündkerze angeordnet. In diesem Fall kann eine besonders gute Gemischversorgung im Bereich der Zündkerze bereitgestellt werden. Eine solche Anordnung von Brennraum-Kraftstoffinjektor und Zündkerze nahe beieinander erlaubt beispielsweise einen besonders robusten Betrieb der Verbrennungskraftmaschine während eines Katalysator-Heizens.
Vorzugsweise sind der Brennraum-Kraftstoffinjektor und die Vorkammerzündkerze in einem Abstand von maximal 50 %, insbesondere maximal 30 %, vorzugsweise maximal 10 %, eines Zylinderradius des Zylinders angeordnet.
Bevorzugt sind der Brenn raum-Kraftstoffinjektor und die Zündkerze in einem Abstand von maximal 50 %, insbesondere maximal 30 %, vorzugsweise maximal 10 %, des Zylinderradius des Zylinders angeordnet.
Besonders bevorzugt ist eine Einspritzrichtung, also eine Richtung, entlang welcher im Wesentlichen der Kraftstoff eingespritzt wird, des Brennraum- Kraftstoff injektors in Richtung der Vorkammerzündkerze ausgerichtet, insbesondere auf eine Kerzenkappe der Vorkammerzündkerze. Dadurch kann eine besonders gute Spülung und Gemischversorgung der Vorkammer der Vorkammerzündkerze erreicht werden. Alternativ bevorzugt ist die Einspritzrichtung im Wesentlichen in Richtung der Zündkerze ausgerichtet.
Vorzugsweise umfasst die Verbrennungskraftmaschine ferner einen Saugrohr- Kraftstoffinjektor, welcher eingerichtet ist zur Einspritzung von Kraftstoff in ein Saugrohr der Verbrennungskraftmaschine. Insbesondere umfasst die Verbrennungskraftmaschine zwei Saugrohre mit jeweils einem Saugrohr- Kraftstoffinjektor, wobei jedes Saugrohr an einer der beiden Einlassöffnungen in den Brennraum mündet. Alternativ kann die Verbrennungskraftmaschine auch genau einen Saugrohr-Kraftstoffinjektor umfassen, welcher eingerichtet ist zur Einspritzung von Kraftstoff in beide Saugrohre weiter alternativ kann die Verbrennungskraftmaschine genau einen Saugrohr-Kraftstoffinjektor umfassen, welcher eingerichtet ist, Kraftstoff in einen gemeinsamen Saugrohr-Abschnitt einzuspritzen, wobei der Saugrohr-Abschnitt sich in Richtung des Brennraums in die beiden Saugrohre teilt. Der Saugrohr-Kraftstoffinjektor ist vorteilhafterweise alternativ zu einem am Brennraum angeordneten direkt einspritzenden Brennraum-Kraftstoffinjektor vorgesehen. Dadurch steht am Brennraumdach besonders viel Platz für die Zündkerze und die Vorkammerzündkerze zur Verfügung für eine jeweilige optimale Anordnung.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine, welche zumindest einen Zylinder und pro Zylinder vier Ladungswechselöffnungen, eine Zündkerze und eine Vorkammerzündkerze aufweist. Die Zündkerze und/oder die Vorkammerzündkerze wird dabei betrieben, um ein Kraftstoff-Luft-Gemisch innerhalb des Brennraum des Zylinders zu entzünden. Das heißt, es kann während des Betriebs der Verbrennungskraftmaschine ein gleichzeitiger Betrieb sowohl von der Vorkammerzündkerze und der Zündkerze, als auch alternativ ein Betrieb der Zündkerze oder der Vorkammerzündkerze alleine erfolgen, um das Kraftstoff- Luft-Gemisch im Brennraum des Zylinders zu entzünden. Dadurch kann ein besonders flexibler und effizienter Betrieb der Verbrennungskraftmaschine ermöglicht werden.
Bevorzugt wird die Vorkammerzündkerze während eines Betriebs der Verbrennungskraftmaschine unter hoher Last alleine betrieben, insbesondere während die Zündkerze inaktiv ist. Vorzugsweise wird als hohe Last ein Betrieb bei einem Moment von mindestens 20 %, bevorzugt mindestens 50 %, besonders bevorzugt mindestens 80 %, eines Nenndrehmoments der Verbrennungskraftmaschine angesehen. Vorzugsweise kann diese Drehmomentschwelle abhängig sein von einer Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine, oder weiteren Kennzahlen, wie einer Lambdazahl, Steuerzeiten von Ventilen, einer Motortemperatur, oder dergleichen. Durch den alleinigen Betrieb der Vorkammerzündkerze bei hoher Last kann ein besonders effizienter Betrieb sowie eine effektive Verringerung der Klopfneigung der Verbrennungskraftmaschine erreicht werden.
Weiter bevorzugt wird die Zündkerze während eines Betriebs der Verbrennungskraftmaschine unter niedriger Last alleine betrieben, insbesondere während die Vorkammerzündkerze inaktiv ist. Vorzugsweise wird als niedrige Last ein Betrieb bei einem Drehmoment von weniger als 80 %, bevorzugt weniger als 50 %, besonders bevorzugt weniger als 20 %, eines Nenndrehmoments der Verbrennungskraftmaschine angesehen. Dadurch kann auch bei niedriger Last eine zuverlässige Zündung mittels der Zündkerze ermöglicht werden.
Besonders bevorzugt wird die Zündkerze während einer Katalysator-Heizphase, insbesondere nach einem Kaltstart der Verbrennungskraftmaschine, betrieben. Vorzugsweise erfolgt während der Katalysator-Heizphase ein alleiniger Betrieb der Zündkerze, insbesondere während die Vorkammerzündkerze inaktiv ist. Dadurch kann nach dem Kaltstart, wo beispielsweise noch keine optimalen Bedingungen für den Betrieb der Vorkammerzündkerze vorliegen, zuverlässig eine optimale Zündung des Kraftstoff- Luft Gemischs sichergestellt werden.
Bevorzugt erfolgt ein alleiniger Betrieb der Zündkerze bei niedrigen Motortemperaturen der Verbrennungskraftmaschine, vorzugsweise bei Motortemperaturen von maximal 323 K, insbesondere maximal 303 K, besonders bevorzugt maximal 293 K. Als Motortemperatur kann beispielsweise eine Temperatur eines Kühlmittels der Verbrennungskraftmaschine ermittelt werden, um eine besonders einfache Bestimmung zu erhalten. Alternativ kann auch bei derartigen niedrigen Temperaturen ein kombinierter Betrieb von Zündkerze und Vorkammerzündkerze gleichzeitig erfolgen.
Weiter bevorzugt erfolgt ein alleiniger Betrieb der Zündkerze während eines Wiederanbrennens der Verbrennungskraftmaschine, insbesondere nach Schubphasen, also nach einem Schleppbetrieb der Verbrennungskraftmaschine durch das Fahrzeug, und vorzugsweise bei sehr niedrigen Lasten. Alternativ kann während eines solchen Wiederanbrennens der Verbrennungskraftmaschine auch ein kombinierter Betrieb von Zündkerze und Vorkammerzündkerze gleichzeitig erfolgen.
Vorzugsweise werden die Zündkerze und die Vorkammerzündkerze mit unterschiedlichen, vorzugsweise voneinander unabhängigen, Zündzeitpunkten, insbesondere innerhalb eines einzelnen Arbeitsspiels der Verbrennungskraftmaschine, betrieben. Beispielsweise kann die Zündkerze, vorzugsweise bei hoher Last, ausschließlich während eines Ausstoßtakts betrieben werden, wobei vorzugsweise nur die Vorkammerzündkerze zur Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemischs verwendet wird. Dadurch kann je nach Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine jeweils eine optimale, vollständige und effiziente Verbrennung ermöglicht werden. Besonders bevorzugt wird die Verbrennungskraftmaschine zumindest innerhalb eines Teil-Betriebsbereichs mit einer Lambdazahl von mindestens 1 betrieben. Besonders bevorzugt wird innerhalb dieses Teil-Betriebsbereichs die Vorkammerzündkerze betrieben. Vorzugsweise kann die Zündkerze innerhalb dieses Teil-Betriebsbereichs inaktiv sein. Alternativ kann jedoch auch ein kombinierter Betrieb von Zündkerze und Vorkammerzündkerze erfolgen. In einer weiteren alternativen Ausgestaltung kann innerhalb dieses Teil-Betriebsbereichs ein alleiniger Betrieb der Zündkerze erfolgen, das heißt, während die Vorkammerzündkerze inaktiv ist. Besonders bevorzugt beträgt die Lambdazahl innerhalb zumindest eines Teil-Betriebsbereichs der Verbrennungskraftmaschine mindestens 1,05. Das heißt, in diesem Fall wird die Verbrennungskraftmaschine innerhalb des Teil-Betriebsbereichs mit einem mageren Kraftstoff-Luft-Gemisch, betrieben. Vorzugsweise wird während des mageren Betriebs die Vorkammerzündkerze und/oder Zündkerze betrieben. Dadurch kann ein besonders kraftstoffsparender Betrieb ermöglicht werden, wobei insbesondere durch die Vorkammerzündkerze eine zuverlässige Zündung des Kraftstoff-Luft- Gemischs unter geringer Klopfneigung ermöglicht wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
Figur 1 eine Schnittansicht einer Verbrennungskraftmaschine gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Figur 2 vereinfachte schematische Detailansichten verschiedener bevorzugter Konfigurationen der Verbrennungskraftmaschine der Figur 1,
Figur 3 vereinfachte schematische Detailansichten weiterer bevorzugter Konfigurationen der Verbrennungskraftmaschine der Figur 1,
Figur 4 eine Schnittansicht einer Verbrennungskraftmaschine gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung, und Figur 5 vereinfachte schematische Detailansichten verschiedener bevorzugter Konfigurationen der Verbrennungskraftmaschine der Figur 4.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
Figur 1 zeigt eine vereinfachte Schnittansicht einer Verbrennungskraftmaschine 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Verbrennungskraftmaschine 1 umfasst mehrere Zylinder 10, wobei in der Figur 1 nur einer der Zylinder 10 dargestellt ist. Der Zylinder 10 weist einen Brennraum 5 auf, welcher an dessen oberen Ende durch ein Brennraumdach 50 begrenzt ist. Das Brennraumdach 50 wird durch einen Zylinderkopf 15 der Verbrennungskraftmaschine 1 gebildet. Das Brennraumdach 50 ist bevorzugt konisch, oder sich nach oben hin verjüngend ausgebildet, wobei eine Dachspitze insbesondere im Mittelpunkt 54 (vgl. Figur 2) des Brennraumdachs 50 bildet. Der Mittelpunkt 54 liegt dabei mittig, insbesondere auf einer zentralen Achse 12, des, vorzugsweise kreisrunden, Zylinders 10.
Pro Zylinder 10 umfasst die Verbrennungskraftmaschine 1 vier Ladungswechselöffnungen 4 (vgl. auch Figur 2). Eine erste und eine zweite Ladungswechselöffnung 4 bilden dabei jeweils eine Einlassöffnung 41, über welche Frischluft in den Brennraum 5 einströmen kann. Eine dritte und eine vierte Ladungswechselöffnung 4 bilden jeweils eine Auslassöffnung 42, über welche Abgase nach der Verbrennung aus dem Brennraum 5 ausströmen können.
Weiterhin umfasst die Verbrennungskraftmaschine 1 pro Zylinder 10 einen Brennraum-Kraftstoffinjektor 6, welcher eingerichtet ist, um flüssigen oder gasförmigen Kraftstoff direkt in den Brennraum 5 einzuspritzen. Der Brennraum- Kraftstoff injektor 6 ragt dabei geringfügig in den Brennraum 5 hinein. Alternativ kann der Brennraum-Kraftstoffinjektor 6 auch innerhalb eine Injektorbohrung 60, in welcher dieser angeordnet ist, zurückgezogen angeordnet sein.
Zudem umfasst, die Verbrennungskraftmaschine 1 pro Zylinder 10 eine Zündkerze 2 und eine Vorkammerzündkerze 3. Die Zündkerze 2 ist eine gewöhnliche Zündkerze, welche eingerichtet ist, ein im Brennraum 5 befindliches Kraftstoff-Luft-Gemisch mittels eines elektrischen Funkens zu zünden. Hierfür kann die Zündkerze 2 eine Mittelelektrode 21 und eine seitliche, hakenförmige Stirnelektrode 22, welche insbesondere die Masseelektrode bildet, aufweisen. Der Zündfunke kann zwischen den beiden Elektroden 21 , 22 erzeugt werden. Die Zündkerze 2 kann wie in der Figur 1 dargestellt in einer Bohrung 20 innerhalb des Zylinderkopfes 15 angeordnet sein, wobei die Bohrung 20 in den Brennraum 5 mündet. Alternativ kann die Zündkerze 2 auch in den Brennraum 5 ragen.
Die Vorkammerzündkerze 3 weist eine Kerzenkappe 32 auf, die an einem axialen Ende eines Gehäuses 34 der Vorkammerzündkerze 3 angeordnet ist. Die Kerzenkappe 32 bildet dabei eine Vorkammer 35 innerhalb der Vorkammerzündkerze 3, wobei die Vorkammer 35 über (nicht dargestellte) Durchgangsöffnungen, welche die Kerzenkappe 32 durchdringen, mit dem Brennraum 5 in Verbindung steht. Mittels Elektroden 31 kann ein Kraftstoff-Luft- Gemisch innerhalb der Vorkammer 35 gezündet werden, sodass durch die Durchgangsöffnungen mehrere, vorzugsweise vier, Fackelstrahlen 30 (vgl. Figur 2, Figur 3 oder Figur 5; schematisch dargestellt als keulenförmige von der Vorkammerzündkerze 3 ausgehende Strahlen), insbesondere Form von Flammen, sich in den Brennraum 5 ausbreiten, um das dortige Kraftstoff-Luft- Gemisch zu entzünden. Die Vorkammerzündkerze 3 ist in eine Bohrung 33 im Zylinderkopf 15 eingeschraubt. Die Vorkammerzündkerze 3 ist dabei so eingeschraubt, dass die Kerzenkappe 32 in den Brennraum 5 hineinragt.
Die Vorkammerzündkerze 3 ist dabei optimiert für einen Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 1 unter hoher Last und während die Verbrennungskraftmaschine 1 mit einem stöchiometrischen oder mageren Kraftstoff-Luft-Gemisch betrieben wird. Durch die spezielle Zündweise der Vorkammerzündkerze 3 kann das Kraftstoff-Luft-Gemisch dabei zuverlässig und bei geringer Klopfneigung der Verbrennungskraftmaschine 1 entzündet werden. Dadurch kann ein besonders kraftstoffsparender Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 1 ohne Gefahr der Beschädigung durch Klopfen ermöglicht werden kann.
Die Zündkerze 2 wird insbesondere nach einem Kaltstart, während eines Katalysator-Heizbetriebs und bei niedrigen Lasten betrieben, um auch in diesen Betriebsbereichen eine zuverlässige Entzündung des Kraftstoff-Luft-Gemischs im Brennraum 5 zu ermöglichen.
In den Figuren 2 und 3 sind mehrere bevorzugte Varianten für Anordnungen von Brennraum-Kraftstoffinjektor 6, Zündkerze 2 und Vorkammerzündkerze 3 am Brennraumdach 50 vereinfacht schematisch dargestellt, welche nachfolgend beschrieben werden. Dargestellt ist dabei jeweils eine Draufsicht auf das Brennraumdach 50 entlang einer Kolbenrichtung, entlang welcher sich ein (nicht dargestellter) Kolben der Verbrennungskraftmaschine 1 bewegen kann. Die Kolbenrichtung ist parallel zur zentralen Achse 12 des Zylinders 10.
Wie in den Figuren 2 und 3 zu erkennen, weisen alle vier Ladungswechselöffnungen 4 einen identischen Querschnitt auf. Alternativ könnten die Einlassöffnungen 41 und die Auslassöffnungen 42 auch unterschiedliche Querschnitte aufweisen. Besonders bevorzugt könnten die Einlassöffnungen 41 jeweils größere Querschnitte als die Auslassöffnungen 42 aufweisen. Alternativ könnten die Auslassöffnungen 42 jeweils größere Querschnitte als die Einlassöffnungen 41 aufweisen. Die Ladungswechselöffnungen 4 sind jeweils kreisrund ausgebildet, und so in das Brennraumdach 50 einbeschrieben, dass ein maximaler Gesamtquerschnitt für den Ladungswechsel zur Verfügung steht. Alternativ könnten die Ladungswechselöffnungen 4 auch kleiner sein.
Zur vereinfachten Beschreibung der Lage der Elemente am Brennraumdach 50 sind zwei zueinander senkrechte und zur Kolbenrichtung parallele Schnittebenen 51, 52 eingezeichnet. Die beiden Schnittebenen 51, 52 unterteilen das Brennraumdach 50 dabei in vier Quadranten 55, 56, 57, 58, derart, dass in jedem Quadranten 55, 56, 57, 58 jeweils eine der vier Ladungswechselöffnungen 4 liegt. Insbesondere können die beiden Schnittebenen 51, 52 auch als Symmetrieebenen des Brennraumdachs 50 angesehen werden. Wie in den Figuren 2, 3 und 5 zu erkennen, liegen die am Brennraumdach 50 angeordneten Bauteile Zündkerze 2, Vorkammerzündkerze 3 und Brennraum-Kraftstoffinjektor 6 jeweils im Wesentlichen auf einer der beiden Schnittebenen 51 , 52, da hier das größte Platzangebot für diese Bauteile ist.
Figur 2 zeigt Varianten von Anordnungen der Bauteile im Brennraumdach 50 mit einer zentralen Lage des Brennraum-Kraftstoffinjektors 6. Als zentrale Lage wird dabei eine Anordnung innerhalb eines Mittelpunktbereichs 53, welcher einen Mittelpunkt 54 des Brennraumdachs 50 umgibt und im Wesentlichen radial innerhalb der Ladungswechselöffnungen 4 liegt, angesehen. Durch die zentrale Lage des Brennraum-Kraftstoffinjektors 6 kann eine besonders gleichmäßige Verteilung des eingespritzten Kraftstoff-Sprays im Brennraum 5 erreicht werden.
In allen in Figur 2 gezeigten Varianten befindet sich der Brennraum- Kraftstoffinjektor 6 einlassseitig des Mittelpunkts 54, das heißt, näher an den beiden Einlassöffnungen 41 als an den Auslassöffnungen 42. Im Detail befindet sich der Brennraum-Kraftstoffinjektor 6 vollständig innerhalb der beiden einlassseitigen Quadranten 55, 58. Dadurch ist innerhalb des Mittelpunktbereichs 53 Platz für ein weiteres Bauteil, nämlich die Zündkerze 2 oder die Vorkammerzündkerze 3.
Ferner weist das Brennraumdach 50 vier Seitenbereiche 59 auf, welche jeweils zwischen zwei benachbarten Ladungswechselöffnungen 4 und einer Seitenwand 11 des Zylinders 10 angeordnet sind, und innerhalb welchen Bauteile angeordnet werden können.
Figur 2(a) zeigt eine Anordnung mit der Vorkammerzündkerze 3 innerhalb des Mittelpunktbereichs 53. Dadurch kann eine möglichst mittige Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisch mittels der Vorkammerzündkerze 3 erzielt werden, wodurch eine besonders gleichmäßige Durchdringung des Brennraum 5 mittels der Fackelstrahlen 30 und damit eine besonders gleichmäßige Entflammung im Brennraum 5 erzielt werden kann. Zudem kann hierdurch ein Abstand 36 zwischen Vorkammerzündkerze 3 und Brennraum-Kraftstoffinjektor 6 minimal gehalten werden, was sich vorteilhaft auf eine Spülung und Gemischversorgung der Vorkammer 35 auswirkt.
Die Vorkammerzündkerze 3 ist dabei so ausgebildet und angeordnet, dass bei dessen Betrieb erzeugte Fackelstrahlen 30 im Wesentlichen gleichmäßig in Richtung jeder der vier Ladungswechselöffnungen 4 ausgerichtet sind. Dabei sei angemerkt, dass die Ausrichtung der Fackelstrahlen 30 in den Figuren nur beispielhaft dargestellt ist. Vielmehr ist eine beliebige Ausrichtung der Fackelstrahlen 30 möglich. Beispielsweise ist in einerweiteren vorteilhaften Ausgestaltung zumindest einer der Fackelstrahlen 30 parallel zu einer der Schnittebenen 51 , 52 ausgerichtet, vorzugsweise wenn sich die Vorkammerzündkerze 3 auf einer dieser Schnittebenen 51 , 52 befindet. Besonders vorteilhaft, wenn immer mindestens einer der Fackelstrahlen 30 in Richtung der Einlassseite des Brennraums 5, das heißt in Richtung einer der Einlassöffnung in 41 ausgerichtet ist.
Die Anordnung der Figur 2(a) bietet durch die Nähe von Brennraum- Kraftstoffinjektor 6 und Vorkammerzündkerze 3 zudem eine besonders effiziente Betriebsweise der Verbrennungskraftmaschine 1 beim Betrieb der Vorkammerzündkerze 3, da das erzeugte Spray besonders gezielt und zuverlässig durch die Fackelstrahlen 30 gezündet werden kann. Zudem kann durch die Nähe von Brennraum-Kraftstoffinjektor 6 und Vorkammerzündkerze 3 eine effektive Spülung der Vorkammer 35 der Vorkammerzündkerze 3 und eine optimale Gemischversorgung erreicht werden, was sich besonders vorteilhaft auf einen robusten und effektiven Betrieb der Vorkammerzündkerze 3 auswirkt.
Die Zündkerze 2 ist in der Variante der Figur 2(a) seitlich, nahe an der Seitenwand 11 des Zylinders 10 angeordnet. Im Detail ist die Zündkerze 2 im einlassseitigen Seitenbereich 59 angeordnet, welcher in den beiden einlassseitigen Quadranten 55, 58 liegt, also nahe an den beiden Einlassöffnungen 41. Dadurch kann beim Betrieb der Zündkerze 2 eine gute Frischluftversorgung im Bereich der Zündkerze 2 bereitgestellt werden.
Figur 2(b) zeigt eine Anordnung, welche im Wesentlichen der Anordnung der Figur 2(a) entspricht, mit dem Unterschied, dass die Zündkerze 2 im auslassseitigen Seitenbereich 59, also nahe an den beiden Auslassöffnungen 42 angeordnet ist. Dadurch kann beispielsweise der Brennraum-Kraftstoffinjektor 6 mehr in Richtung der Auslassöffnungen 42 ausgerichtet sein, um das Kraftstoff- Spray nahe an die Kerze 3 und die Zündkerze 2 zu bringen.
Figur 2(c) zeigt eine Anordnung ähnlich der Figur 2(a), wobei die Positionen von Zündkerze 2 und Vorkammerzündkerze 3 vertauscht sind. Das heißt, die Zündkerze 2 ist im Mittelpunktbereich 53 nahe am Brennraum-Kraftstoffinjektor 6 angeordnet und die Vorkammerzündkerze 3 ist einlassseitig nahe an der Seitenwand 11 angeordnet. Durch die zentrale Anordnung der Zündkerze 2 nahe am Mittelpunkt 54 und nahe am Brennraum-Kraftstoffinjektor 6 kann dabei ein besonders robuster und effizienter Betrieb der Verbrennungskraftmaschine während der Zündung mittels der Zündkerze 2, vorzugsweise bei niedrigen Lasten und/oder während einer Katalysator-Heizphase, ermöglicht werden.
Die Vorkammerzündkerze 3 ist dabei so ausgebildet und angeordnet, dass die Fackelstrahlen 30 in Richtung Brennraumdach-Mitte ausgerichtet sind. Dadurch kann auch bei alleinigen Betrieb der Vorkammerzündkerze 3 beispielsweise in mittleren oder hohen Lastbereichen der Verbrennungskraftmaschine 1 ein besonders kraftstoffsparender Betrieb ermöglicht werden. Zudem bietet die seitliche Anordnung der Vorkammerzündkerze 3 durch die Ferne zur Mitte des Brennraums 5 den Vorteil, dass geringere Temperaturen auf die Kerzenkappe 32 einwirken und damit eine niedrigere Belastung und eine höhere Lebensdauer der Vorkammerzündkerze 3 ermöglicht werden können.
Figur 2(d) zeigt eine Anordnung, welche im Wesentlichen der Anordnung der Figur 2(c) entspricht, mit dem Unterschied, dass die Vorkammerzündkerze 3 im auslassseitigen Seitenbereich 59, das heißt, auslassseitig von Zündkerze 2 und Brennraum-Kraftstoffinjektor 6, angeordnet ist. In diesem Fall sind die Fackelstrahlen 30, welche die Vorkammerzündkerze 3 erzeugt, in Richtung der Einlassöffnungen 41 ausgerichtet.
Figur 2(e) zeigt eine Anordnung ähnlich der Figuren 2(a) und (b) mit zentraler Vorkammerzündkerze 3, wobei die Zündkerze 2 in einem auf der zweiten Schnittebene 52 liegenden Seitenbereich 59 angeordnet ist. In diesem Fall liegt der Seitenbereich 59 in einem der beiden einlassseitigen Quadranten 55, 58 und einem der beiden auslassseitigen Quadranten 56, 57. Dadurch kann eine besonders vorteilhafte Einbaulage der Zündkerze 2 im Zylinderkopf 15 bereitgestellt werden, da die mit den Einlassöffnungen 41 und Auslassöffnungen 42 verbundenen Saugrohre und Abgasrohre häufig voneinander weg weisen innerhalb des Zylinderkopfes 15. Alternativ zu der in Figur 2(e) gezeigten Lage im rechten Seitenbereich 59 der Quadranten 55 und 56 kann die Zündkerze 2 auch im linken Seitenbereich 59 der Quadranten 57 und 58 angeordnet sein.
Figur 3 zeigt Varianten, in welchen der Brennraum-Kraftstoffinjektor 6 seitlich am Brennraumdach 50, nämlich im einlassseitigen Seitenbereich 59, angeordnet ist. Dabei ist der Brennraum-Kraftstoffinjektor 6 in geringem Abstand 61 zur Seitenwand 11 angeordnet. Durch die seitliche Anordnung des Brennraum- Kraftstoffinjektors 6 steht dabei im zentralen Mittelpunktbereich 53 des Brennraumdachs 50 um den Mittelpunkt 54 viel Platz für die Zündkerze 2 und die Vorkammerzündkerze 3 zur Verfügung, sodass diese beide möglichst zentral für eine verbesserte gleichmäßige Entflammung angeordnet werden können. Eine Einspritzrichtung des Brennraum-Kraftstoffinjektors 6 ist dabei in Richtung Brennraummitte ausgerichtet, um eine möglichst gleichmäßige Verteilung des Kraftstoff-Sprays im Brennraum 5 zu erzielen.
In Figur 3(a) und in Figur 3(b) sind dabei Varianten gezeigt, in welchen jeweils die Zündkerze 2 und auch die Vorkammerzündkerze 3 innerhalb des Mittelpunktbereichs 53 angeordnet sind. Dadurch liegen sowohl die Zündkerze 2 als auch die Vorkammerzündkerze 3 möglichst nahe am Mittelpunkt 54 des Brennraumdachs 50, wodurch für beide ein optimaler Betrieb mit möglichst zentraler gleichmäßiger Entflammung ermöglicht wird. Die Figur 3(a) zeigt dabei eine Variante, in welcher die Zündkerze 2 einlassseitig der Vorkammerzündkerze 3 angeordnet ist, wobei in Figur 3(b) eine Variante dargestellt ist, in welcher die Zündkerze 2 auslassseitig der Vorkammerzündkerze 3 angeordnet ist.
In Figur 3(c) und in Figur 3 (d) sind ferner Varianten gezeigt, in welchen die Zündkerze 2 zentral angeordnet ist und die Vorkammerzündkerze 3 seitlich am Brennraumdach 50 angeordnet ist. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn im Mittelpunktbereich 53 nicht genügend Platz für sowohl die Zündkerze 2 als auch die Vorkammerzündkerze 3 ist. Dabei ist die Zündkerze 2 in beiden Varianten jeweils genau im Mittelpunkt 54 des Brennraumdachs 50 angeordnet, wodurch ein besonders robuster Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 1 beim Betrieb der Zündkerze 2, beispielsweise während einer Katalysator-Heizphase, ermöglicht.
In Figur 3(c) ist die Vorkammerzündkerze 3 dabei im linken Seitenbereich 59 angeordnet, welcher zwischen der Seitenwand 11 und jeweils einer der Einlassöffnungen 41 und einer der Auslassöffnungen 42 liegt.
Figur 3(d) zeigt ferner eine Variante, in welcher die Vorkammerzündkerze 3 im auslassseitigen Seitenbereich 59 angeordnet ist, also nahe an den beiden Auslassöffnungen 42. Es sei angemerkt, dass alternativ zu den in Figur 3(c) und in Figur 3 (d) dargestellten Varianten auch eine Anordnung der Vorkammerzündkerze 3 in jedem anderen der Seitenbereiche 59 möglich ist.
In Figur 3(e) ist zudem eine Variante dargestellt, in welcher die Vorkammerzündkerze 3 zentral, also genau im Mittelpunkt 54 des Brennraumdachs 50 angeordnet ist. Dadurch kann beim Betrieb der Vorkammerzündkerze 3 eine besonders gleichmäßige, symmetrische Entflammung im Brennraum 5 ermöglicht werden. Die Zündkerze 2 ist in diesem Fall im rechten Seitenbereich 59, also zwischen der Seitenwand 11, einer der beiden Einlassöffnungen 41 und einer der beiden Auslassöffnungen 42, angeordnet. Alternativ ist auch eine Anordnung der Zündkerze in jedem anderen der Seitenbereiche 59 möglich.
In Figur 4 ist eine Schnittansicht einer Verbrennungskraftmaschine 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Das zweite Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem ersten Ausführungsbeispiel der Figuren 1 bis 3, mit dem Unterschied, dass anstatt eines im Brennraumdach 50 angeordneten und direkt einspritzenden Brennraum-Kraftstoffinjektors 6 ein Saugrohr-Kraftstoffinjektor 7 vorgesehen ist. Der Saugrohr-Kraftstoffinjektor 7 ist im Zylinderkopf 15 und an einem Saugrohr 70 angeordnet und eingerichtet, um flüssigen oder gasförmigen Kraftstoff in das Saugrohr 70 einzuspritzen. Das Saugrohr 7 mündet dabei an der Einlassöffnung 41 in den Brennraum 5 und leitet somit das Kraftstoff-Luft-Gemisch in den Brennraum 5. Insbesondere ist dabei pro Einlassöffnung 41 jeweils ein Saugrohr 70 vorgesehen, wobei an jedem Saugrohr 70 jeweils ein Saugrohr-Kraftstoffinjektor 7 vorgesehen ist (nicht dargestellt).
Figur 5 zeigt Varianten der Anordnungen von Zündkerze 2 und Vorkammerzündkerze 3 am Brennraumdach 50 der Verbrennungskraftmaschine 1 des zweiten Ausführungsbeispiels der Figur 4. Da im zweiten Ausführungsbeispiel kein Kraftstoff-Injektor am Brennraumdach 50 angeordnet ist, steht vorteilhafterweise mehr Platz für die Zündkerze 2 und die Vorkammerzündkerze 3 zur Verfügung. Die Anordnungen der Figur 5 sind dabei ähnlich der Figur 3, wodurch sich im Wesentlichen dieselben Vorteile ergeben. Besonders bevorzugt können die Zündkerze 2 und die Vorkammerzündkerze 3 beide im Mittelpunktbereich 53 angeordnet sein. Diese Anordnung ist in den Varianten der Figuren 5(a) und (b) dargestellt, wobei in Figur 5 (a) die Zündkerze 2 einlassseitig der Vorkammerzündkerze 3 angeordnet ist, und in Figur 5 (b) die Zündkerze 2 auslassseitig der Vorkammerzündkerze 3 angeordnet ist.
Figur 5(c) und Figur 5 (d) zeigen ferner Varianten mit einer zentralen Zündkerze 2, welche genau im Mittelpunkt 54 des Brennraumdachs 50 angeordnet ist.
In Figur 5(c) ist die Vorkammerzündkerze 3 dabei im linken Seitenbereich 59 angeordnet, und in der Figur 5(d) im auslassseitigen Seitenbereich 59.
In Figur 5(e) ist zudem eine Variante mit zentraler, genau im Mittelpunkt 54 angeordneter, Vorkammerzündkerze 3, dargestellt. In dieser Variante ist die Zündkerze 2 im rechten Seitenbereich 59 angeordnet.
Ähnlich der Figur 3 sei dabei angemerkt, dass die seitlich angeordnete Zündkerze 2 bzw. Vorkammerzündkerze 3 alternativ zu den in Figur 5(c) bis Figur 5(e) dargestellten Positionen auch in jedem beliebigen der vier Seitenbereiche 59 angeordnet sein kann.
Es sei angemerkt, dass sämtliche Abstände, auf welche Bezug genommen wird jeweils als minimale Abstände anzusehen sind. Das heißt, beispielsweise ein „Abstand zwischen Vorkammerzündkerze und Brennraum-Kraftstoffinjektor“ wird als minimale Distanz eines Außenumfangs der Zündkerze, insbesondere im Wesentlichen in einer Ebene des Brennraumdachs, zum Außenumfang des und Brennraum-Kraftstoffinjektors angesehen.

Claims

Ansprüche
1. Verbrennungskraftmaschine, umfassend:
- zumindest einen Zylinder (10),
- vier Ladungswechselöffnungen (4) pro Zylinder (10), wobei eine erste und eine zweite Ladungswechselöffnung (4) jeweils eine Einlassöffnung (41) ist, und wobei eine dritte und eine vierte Ladungswechselöffnung (4) jeweils eine Auslassöffnung (42) ist, und
- jeweils eine Zündkerze (2) und eine Vorkammerzündkerze (3) pro Zylinder (10), wobei die Zündkerze (2) und/oder die Vorkammerzündkerze (3) an einem Brennraumdach (50) eines Brennraums (5) des Zylinders (10) angeordnet sind, und wobei die Zündkerze (2) näher am Mittelpunkt (54) des Brennraumdachs (50) angeordnet ist als die Vorkammerzündkerze (3), oder wobei die Vorkammerzündkerze (3) näher an einer Seitenwand (11) des Zylinders (10) als die Zündkerze (2) angeordnet ist.
2. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1, wobei die Vorkammerzündkerze (3) näher an zumindest einer der Einlassöffnungen (41) oder näher an zumindest einer der Auslassöffnungen (42) als die Zündkerze (2) angeordnet ist.
3. Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Zündkerze (2) einlassseitig oder auslassseitig zu der Vorkammerzündkerze (3) angeordnet ist.
4. Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
- wobei die Ladungswechselöffnungen (4) im Brennraumdach (50) angeordnet sind,
- wobei das Brennraumdach (50) durch zwei zueinander senkrechte Schnittebenen (51, 52) in vier Quadranten (55, 56, 57, 58) unterteilt ist, derart, dass in jedem Quadranten (55, 56, 57, 58) jeweils eine der vier Ladungswechselöffnungen (4) angeordnet ist, und - wobei die Zündkerze (2) und/oder die Vorkammerzündkerze (3) auf einer der Schnittebenen (51 , 52) angeordnet ist.
5. Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Zündkerze (2) und/oder die Vorkammerzündkerze (3) innerhalb eines Mittelpunktbereichs (53) des Brennraumdachs (50), welcher im Wesentlichen radial innerhalb der Ladungswechselöffnungen (4) liegt, angeordnet ist, insbesondere wobei die Vorkammerzündkerze (3) oder die Zündkerze (2) genau auf einem Mittelpunkt (54) des Brennraumdachs (50) angeordnet ist.
6. Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Zündkerze (2) und/oder die Vorkammerzündkerze (3) zwischen zwei benachbarten Ladungswechselöffnungen (4) und der Seitenwand (11) des Zylinders (10) angeordnet ist.
7. Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend einen Brennraum-Kraftstoffinjektor (6), welcher eingerichtet ist zur direkten Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum (5).
8. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 7, wobei der Brennraum- Kraftstoffinjektor (6) am Brennraumdach (50) angeordnet ist.
9. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 7 oder 8, wobei der Brennraum-Kraftstoffinjektor (6) zwischen zwei benachbarten Ladungswechselöffnungen (4), insbesondere den beiden Einlassöffnungen (41), und der Seitenwand (11) des Zylinders (10), angeordnet ist.
10. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 7 oder 8, wobei der Brennraum-Kraftstoffinjektor (6) innerhalb eines Mittelpunktbereichs (53) des Brennraumdachs (50), welcher im Wesentlichen radial innerhalb der Ladungswechselöffnungen (4) liegt, angeordnet ist, insbesondere wobei der Brennraum-Kraftstoffinjektor (6), genau auf einem Mittelpunkt (54) des Brennraumdachs (50) angeordnet ist.
11. Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei die Vorkammerzündkerze (3) näher am Brennraum-Kraftstoffinjektor (6) als die Zündkerze (2) angeordnet ist, oder wobei die Zündkerze (2) näher am Brennraum-Kraftstoffinjektor (6) als die Vorkammerzündkerze (3) angeordnet ist.
12. Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 7 bis 11 , wobei eine Einspritzrichtung (65) des Brenn raum- Kraftstoffinjektors (6) in Richtung der Zündkerze (2) oder der Vorkammerzündkerze (3) ausgerichtet ist.
13. Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend einen Saugrohr-Kraftstoffinjektor (7), welcher eingerichtet ist zur Einspritzung von Kraftstoff in ein Saugrohr (70) der Verbrennungskraftmaschine (1).
14. Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine (1) mit zumindest einem Zylinder (10), wobei die Verbrennungskraftmaschine (1) pro Zylinder (10) vier Ladungswechselöffnungen (4) und eine Zündkerze (2) und eine Vorkammerzündkerze (3) aufweist, wobei die Zündkerze (2) und/oder die Vorkammerzündkerze (3) betrieben wird, um ein Kraftstoff- Luft-Gemisch innerhalb eines Brennraums (5) des Zylinders (10) zu entzünden.
15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei während eines Betriebs der Verbrennungskraftmaschine (1) unter hoher Last, insbesondere bei einem Drehmoment von mindestens 20 %, vorzugsweise 50 %, besonders bevorzugt 80 %, eines Nenndrehmoments der Verbrennungskraftmaschine (1), die Vorkammerzündkerze (3) alleine betrieben wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 oder 15, wobei während eines Betriebs der Verbrennungskraftmaschine (1) unter niedriger Last, insbesondere bei einem Drehmoment von weniger als 80 %, vorzugsweise weniger als 50 %, besonders bevorzugt weniger als 20 %, eines Nenndrehmoments der Verbrennungskraftmaschine (1), die Zündkerze (2) alleine betrieben wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei die Zündkerze (2) während einer Katalysator-Heizphase, insbesondere nach einem Kaltstart der Verbrennungskraftmaschine (1), betrieben wird.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, wobei die Zündkerze (2) und die Vorkammerzündkerze (3) mit unterschiedlichen, insbesondere voneinander unabhängigen, Zündzeitpunkten betrieben werden.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 18, wobei die Verbrennungskraftmaschine (1) zumindest innerhalb eines Teil- Betriebsbereichs mit einer Lambdazahl von mindestens 1 betrieben wird, insbesondere während eines Betriebs der Zündkerze (2) und/oder Vorkammerzündkerze (3).
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